三相異步電動機的啟動分析

姜雪菲 曾政霖

摘要：本文首先對三相異步電動機做了簡單的介紹，分析了三相異步電動機的工作原理和啟動過程，其次分析了三相異步電動機兩種啟動方式，直接啟動和Y-△（星型-三角形）降壓啟動，通過分析兩種啟動方式的控制電路來解釋兩種啟動方式的原理。最后通過MATLAB軟件進行了仿真，直觀的觀測出三相異步電動機兩種啟動方式的電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的變化波形圖。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機;直接啟動;降壓啟動

中圖分類號：TM3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0065-02

1? 研究背景

三相異步電動機是一種非常常見的感應(yīng)電動機，它具有非常簡單的結(jié)構(gòu)，而且價格比較合理，具有良好的經(jīng)濟性，應(yīng)用起來非常方便，而且維修比較方便，運行可靠?；谶@些優(yōu)點，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從剛開始發(fā)展至今，三相異步電動機得到了非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為工業(yè)上應(yīng)用最多的電機類型。近幾年，隨著汽車產(chǎn)業(yè)朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，越來越多的電動汽車出現(xiàn)在我們的生活中，表現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。電動汽車的供電來自電源，電動機將電源提供的電能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動車輪行駛[1]，三相異步電動機由于其優(yōu)良的特性，在電動汽車的使用上發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。本文主要研究的是三相異步電動機的啟動特性。

2? 三相異步電動機的基本工作原理

三相異步電動機主要是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成的。其中，定子主要有定子鐵心、定子三相繞組和機座構(gòu)成，是三相異步電動機固定不動的部分;轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子三相繞組和轉(zhuǎn)軸幾個部分，轉(zhuǎn)子是三相異步電動機進行轉(zhuǎn)動的部分。當三相異步電動機的定子繞組中，通入三相對稱的交流電的時候[2]，就會產(chǎn)生一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場會切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢以及感應(yīng)電流，這也就是“電生磁”和“磁生電”的過程。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體已經(jīng)產(chǎn)生了電流，因而會在磁場中受到電磁力的作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機進行轉(zhuǎn)動[3]。三相異步電動機的啟動，也就是從三相異步電動機通入三相電，轉(zhuǎn)子開始進行轉(zhuǎn)動，一直到轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速這一工作過程。

對于三相異步電動機的啟動有幾點要求：①盡可能大的啟動轉(zhuǎn)矩。②一定啟動轉(zhuǎn)矩下，盡可能小的啟動電流。③操作方便。通常三相異步電動機的啟動方式最常見的有直接啟動和降壓啟動，下文將不同啟動方式的特點進行分析。

3? 三相異步電動機的啟動方式分析

3.1 直接啟動

直接啟動是三相異步電動機最簡單方便的一種啟動方式，也就是通過電源開關(guān)將電動機直接接入電網(wǎng)的方式。直接啟動操作非常簡單，而且啟動的時間比較短，可以實現(xiàn)快速啟動，啟動過程比較可靠，而且不需要接入復(fù)雜的設(shè)備，因此滿足一定的經(jīng)濟性。然而直接啟動也有其缺點，即啟動電流比較大。啟動電流過大，對電動機會產(chǎn)生一定的危害，比如使得繞組發(fā)熱，絕緣老化，影響電動機的使用壽命。通常，直接啟動通常用于容量比較小的電動機。通常7.5kW以下的電動機采用直接啟動的方式。直接啟動的電路圖如圖1所示。在圖1中，左半部分連著電動機的電路為主電路，右半部分為控制電路。本電路采用的是利用KM接觸器的自鎖控制。當電動機進行啟動的時候，按下電源開關(guān)QS，然后按下控制電路中的SB2按鈕，則控制電路中的接觸器KM線圈就會導(dǎo)通得電，那么和SB2按鈕并聯(lián)的KM輔助觸點就會閉合，自鎖，主電路中的KM常開觸點就會閉合，三相異步電動機就會通電進行啟動。這就是直接啟動的控制過程。若想讓電動機停止轉(zhuǎn)動，只需按下控制電路中的SB1按鈕，使KM線圈斷電，同時主電路中的KM主觸點斷開，電動機斷電停止轉(zhuǎn)動。

3.2 Y-△降壓啟動

降壓啟動也就是把三相異步電動機的輸入電壓降低到額定電壓以下進行啟動，目的就是使三相異步電動機的啟動電流得到降低。典型的降壓啟動有星三角啟動、串接電抗器啟動、自耦變壓器啟動等等。本文主要介紹的是Y-△降壓啟動。Y-△啟動方式也就是三相異步電動機剛開始啟動的時候，將定子三相繞組接成星型，等三相異步電動機達到一定的轉(zhuǎn)速之后，再將三相繞組接為三角形。這樣，便可以限制了啟動電流。圖2是時間繼電器控制的星三角降壓啟動的電路圖。圖2中，電路圖同樣是分為兩部分，其中左邊電動機的部分為主電路，右邊帶有接觸器線圈的電路為控制電路。當閉合電源開關(guān)QS時，接入三相交流電，按下按鈕SB1，此時KM接觸器線圈、控制星型連接的KMY接觸器線圈以及時間繼電器線圈得電，因而控制電路中的KMY輔助動斷觸點斷開，互鎖，控制電路中的KM輔助觸點也閉合，自鎖，主電路中的KM主觸點與KMY主觸點閉合。這個時候，主電路中的控制星型連接的KMY主觸點處于閉合狀態(tài)，而控制電動機三角形連接的KM△線圈沒有得電，所以主電路中控制電動機三角形連接的KM△主觸點仍然保持斷開狀態(tài)，此時，三相異步電動機進行星型啟動。

本電路圖中，采用時間繼電器去控制星型和三角形切換連接的時間。星型連接啟動之后，時間繼電器開始進行計時，假設(shè)時間為t秒，當計時結(jié)束之后，控制電路中的時間繼電器的動斷觸點斷開，動合觸點閉合。因此，與時間繼電器動斷觸點相連接的KMY線圈失電KMY控制電路中的動斷觸點閉合，主電路中的KMY動合觸點斷開。與此同時，與時間繼電器動合觸點相連接的KM△線圈得電，而控制電路中的KM△動合觸點閉合，主電路中，KM△主觸點得電閉合。此時，也就是星型啟動t秒之后，三相異步電動機切換成了三角形連接進行全壓啟動。

4? 直接啟動與星三角降壓啟動的仿真分析

為了更直觀的觀察到三相異步電動機啟動時候的各個參數(shù)的變化，本文采用MATLAB軟件中的simulink工具進行仿真。圖3為三相異步電動機兩種啟動方式的模型圖。

為了方便兩種啟動方式的對比，將直接啟動和Y-△啟動搭建同一個模型，采用斷路器的通斷時間來控制星型和三角形的連接。本次仿真采用的電機參數(shù)為：額定電壓Pn=380V，額定頻率fn=50Hz，定子電阻Rs=0.435Ω，定子電感Ls=0.002H，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816Ω，轉(zhuǎn)子電感Ls=0.002H，勵磁互感Lm=0.069H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.018kg·m2，摩擦系數(shù)為0，極對數(shù)p=2。選擇異步電動機類型為鼠籠式squirrel-cage。在模型中，斷路器①控制著電動機的三角形連接，而斷路器②控制著電動機星型連接。當三相異步電動機直接啟動的時候，斷路器①設(shè)置為closed閉合狀態(tài)，斷路器②設(shè)置為open斷開狀態(tài)，動作時間為2秒，然后點擊右面輸出端示波器觀察波形;當三相異步電動機Y-△啟動的時候，斷路器①設(shè)置為open斷開狀態(tài)，斷路器②設(shè)置為closed閉合狀態(tài)，同樣點擊輸出端示波器觀察波形。圖4和圖5為所觀測的波形。

通過三相異步電動機直接啟動和Y-△啟動定子電流的對比，我們可以看到Y(jié)-△啟動方式，通過降低啟動電壓，直接限制了啟動電流。除了定子電流，我們還可以從仿真模型上觀察到轉(zhuǎn)子電流、啟動轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速，對后面幾個參數(shù)便不再具體闡述。

5? 結(jié)語

本文主要介紹了三相異步電動機兩種不同的啟動方式，分析了兩種啟動方式的控制電路，并搭建了兩種啟動方式的模型。通過這兩種啟動方式的仿真模型，我們可以比較直觀的觀察到兩種啟動方式的各個參數(shù)。直接啟動速度比較快，然而啟動電流比較大，而Y-△降壓啟動電流很明顯的降低了，但啟動速度不如直接啟動。通常在實際應(yīng)用中，我們應(yīng)該更注意采用降壓啟動的方式，以降低啟動大電流對電網(wǎng)的沖擊，然而具體應(yīng)該采用哪種啟動方式，應(yīng)該具體問題具體分析，根據(jù)電機的容量等參數(shù)而定。

參考文獻：

[1]吳朝輝，徐偉峰，王洋洋.淺析電動車的工作原理[J].今日湖北（中旬刊），2014（8）：98.

[2]李慶武，劉子林.電機與拖動基礎(chǔ)[M].武漢理工大學出版社，2009，5.

[3]施振金.電機與電氣控制[M].人民郵電出版社，2007，12.